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钢的变形主要原因是钢中存在内应力或者外部施加的应力。内应力是因温度分布不均匀或者相变所致,残余应力也是原因之一。外应力引起的变形主要是由于工件自重而造成的“塌陷”,在特殊情况下也应考虑碰撞被加热的工件,或者夹持工具夹持所引起的凹陷等。变形包括弹性变形和塑性变形两种。尺寸变化主要是基于组织转变,故表现出同样的膨胀和收缩,但当工件上有孔穴或者复杂形状工件,则将导致附加的变形。如果淬火形成大量马氏体则发生膨胀,如果产生大量残余奥氏体则相应的要收缩。此外,回火时一般发生收缩,而出现二次硬化现象的合金钢则发生膨胀,如果进行深冷处理,则由于残余奥氏体的马氏体化而进一步膨胀,这些组织的比容都随着含碳量的增加而增大,故含碳量增加也使尺寸变化量增大。
二、淬火变形的主要发生时段
1.加热过程:工件在加热过程中,由于内应力逐渐释放而产生变形。
2.保温过程:以自重塌陷变形为主,即塌陷弯曲。
3.冷却过程:由于不均匀冷却和组织转变而至变形。
三、加热与变形
当加热大型工件时,存在残余应力或者加热不均匀,均可产生变形。残余应力主要来源于加工过程。当存在这些应力时,由于随着温度的升高,钢的屈服强度逐渐下降,即使加热很均匀,很轻微的应力也会导致变形。
一般,工件的外缘部位残余应力较高,当温度的上升从外部开始进行时,外缘部位变形较大,残余应力引起的变形包括弹性变形和塑性变形两种。
加热时产生的热应力和想变应力都是导致变形的原因。加热速度越快、工件尺寸越大、截面变化越大,则加热变形越大。热应力取决于温度的不均匀分布程度和温度梯度,它们都是导致热膨胀发生差异的原因。如果热应力高于材料的高温屈服点,则引起塑性变形,这种塑性变形就表现为“变形”。
相变应力主要源于相变的不等时性,即材料一部分发生相变,而其它部分还未发生相变时产生的。加热时材料的组织转变成奥氏体发生体积收缩时可出现塑性变形。如果材料的各部分同时发生相同的组织转变,则不产生应力。为此,缓慢加热可以适当降低加热变形, 采用预热。
此外,由于加热中因自重而出现“塌陷”变形的情况非常多,加热温度越高,加热时间越长,“塌陷”现象越严重。
众所周知,试样的几何因素是个重要因素。但各企业对拉伸试验的几何尺寸,形状等的规定却存在差别,因此有必要对此进行探讨,便于各生产单位和使用单位之间的相互了解。本文对试样的形状变化、宽度变化、不同平行长度对拉伸试验性能的影响进行了讨论;同时用光弹方法研究了板状样过渡圆弧半径及试样夹持部位等因素对拉伸试验结果的影响。
一、试验材料及实验条件
试验材料分别为薄板08Al、08F;中厚板X60、A3钢。均经化学成分检验,符合标准要求,加工试样精度符合GB 6397-86 金属拉伸试验试样标准, 要求拉伸试验在 材料试验机上进行。十字头速度恒定为10mm/min;引伸计符合ASTM E83C级要求;标距划线机线间长度误差小于0.1mm;光弹试验在光弹议上进行。
二、试验结果和讨论
1.试样对拉伸性能的影响
按照GB/T228-2010 金属拉伸试验标准要求,中厚板既可取保留原表面的板状试样,也可制成棒状试样测试拉伸性能。为表明二者是否存在差异,我们将X60(8mm厚)和A3(10mm厚)钢板分别制成带头板状样和直径为5mm的棒状试样进行实验。采用短比例试样。
结果表明:两种形状的试验结果是有差异的。棒状试样的应力σ5较板状试样高得多。我们认为原因在于;棒状试样经加工,表面光滑,缺陷少;而板状试样两表面均为直接轧制面,表面缺陷相对多一些。另外,两种试样在拉伸时的应力和应变状态也有差异。棒状试样的派生应力σ2=σ3,ε2=ε3,四周缩变均匀,而板状试样σ2≠σ3,ε2≠ε3,也造成的试验的结果不同。
2.试样宽度对拉伸结果的影响
板状拉伸试样的宽度,在其他因素相同的情况下,宽度保准也大不相同。为明确试样宽度对拉伸机械性能的影响。我们分别取08Al冷轧板和08F热轧板进行比较研究。
试样基本尺寸符合标准要求,固定其他尺寸,变化试样宽度。
结果表明:在固定标距的情况下,随试样宽度增加,σ0.2或(σs)和σb有下降趋势。我们认为:其原因在于随着试样宽度的增加,派生应力σ2增加,试样由单向拉伸逐渐转向平面应力状态,从而使参加流变的材料逐渐增多之故。
3.平行长度对板状试样拉伸性能的影响
一般都认为:平行试样长度越长,材料变形越均匀,伸长率就越大。但在实际工作中得出的结论却并非完全如此。同时平行长度的增大引起试样重量的增加,对材料也是一种浪费,因而需要明确一个范围,在不同 的标准中,我们同样发现平行长度有差异,如有l0+b/2, l0+b, l0+2b, (b为试样的宽度)。为进一步明确平行长度对拉伸试样机械性能的影响,我们用08Al冷轧板研究了这一问题。
试样尺寸符合标准要求,固定其他尺寸,变化试样平行长度。
1. 再结晶及其对组织性能的影响1. 再结晶过程
变形后的金属在较高温度加热时,由于原子扩散能力增大,被拉长(或压扁)、破碎的晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶。这个过程称为再结晶。变形金属进行再结晶后,金属的强度和硬度明显降低,而塑性和韧性大大提高,加工硬化现象被,此时内应力全部消失,物理、化学性能基本上恢复到变形以前的水平。再结晶生成的新的晶粒的晶格类型与变形前、变形后的晶格类型均一样。
2. 再结晶温度
变形后的金属发生再结晶的温度是一个温度范围,并非某一恒定温度。一般所说的再结晶温度指的是 再结晶温度(T再), 通常用经大变形量(70%以上)的冷塑性变形的金属,经一小时加热后能完全再结晶的 温度来表示。 再结晶温度与该金属的熔点有如下关系:
T再=(0.35~0.4)T熔点
式中的温度单位为 温度(K)。 再结晶温度与下列因素有关:
(1)预先变形度 金属再结晶前塑性变形的相对变形量称为预先变形度。预先变形度越大, 金属的晶体缺陷就越多, 组织越不稳定, 再结晶温度也就越低。当预先变形度达到一定大小后, 金属的 再结晶温度趋于某一稳定值。
(2)金属的熔点 熔点越高, 再结晶温度也就越高。
(3)杂质和合金元素 由于杂质和合金元素特别是高熔点元素, 阻碍原子扩散和晶界迁移, 可显著提高 再结晶温度。如高纯度铝(99.999%)的 再结晶温度为80 ℃, 而工业纯铝(99.0%)的 再结晶温度提高到了290 ℃。
(4)加热速度和保温时间 再结晶是一个扩散过程, 需要一定时间才能完成。提高加热速度会使再结晶在较高温度下发生, 而保温时间越长, 再结晶温度越低。
频电阻焊管(Electric Resistance Welding,简称为ERW)与无缝钢管 的区别在于ERW有条焊缝,这也是ERW钢管质量的关键所在。现代化的ERW钢管生产工艺和设备,由于国际上,尤其是美国等多年的不懈努力,使得ERW钢管的无缝化已经有了比较满意的解决。有人把ERW钢管的无缝化分为几何无缝化和物理无缝化。山东无缝钢管几何无缝化就是ERW钢管的内外毛刺。由于内毛刺系统的结构和刀具的不断改进和完善,大中口径的钢管内毛刺的已有了较好的处理。内毛刺可控制在-0.2mm~+O.5mm左右。物理无缝化是指焊缝内部的金相组织与母材之间存在差别而导致焊缝区域机械性能下降,需要采取措施使其均匀化、一致化。ERW钢管的高频焊接热过程,造成了管坯边缘附近温度分布梯度,并形成了熔化区、半熔化区、过热组织、正火区、不完全正火区、回火区等特征区域。其中过热区组织由于焊接温度在1000℃以上,奥氏体晶粒急剧长大,在冷却条件下会形成硬而脆的粗晶相,此外温度梯度的存在会产生焊接应力。这样,就形成了焊缝区域力学性能比母材低的情况,物理无缝化就是通过焊缝局部常规热处理工艺即采用中频感应加热装置将焊缝区域加热到AC3(927℃),然后进行60m长度、速度在20m/分的空冷过程,需要时再水冷。这种方法的使用达到了应力、软化和细化组织、提高焊接热影响区综合机械性能之目的。目前,世界上先进的ERW机组已普遍采用此方法对焊缝进行处理,已获得较好的效果。优质的ERW钢管不仅无法辩出焊缝,而且焊缝系数达到1,实现了焊缝区域组织与母材的匹配。 同时ERW钢管具有因采用热轧卷板作为原料,壁厚均匀可控制在±0.2mm左右,钢管二端按美国APl标准或GB/T9711.1标准,修端打坡口,定尺长度交货等优点。近几年来,各天然气管网工程和煤气公司已广泛采用ERW钢管作为城市管网的主要管材。
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